DE69211943T2 - Rubber mixtures which contain an oligomeric maleimide and / or a maleic acid - Google Patents
Rubber mixtures which contain an oligomeric maleimide and / or a maleic acidInfo
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Description
Ein Luftreifen ist ein polymerer Verbundstoff und ist ein komplexes System sich gegenseitig beeinflussender Komponenten, jede mit speziellen Eigenschaften für maximale Effektivität. Ein häufiges Problem bei der Herstellung eines Kautschuk-Verbundstoffs ist das Aufrechterhalten guter Haftung zwischen dem Kautschuk und der Verstärkung. Ein herkömmliches Verfahren bei der Förderung der Haftung zwischen dem Kautschuk und der Verstärkung ist die Vorbehandlung der verstärkenden Faser mit einer Mischung aus einem Kautschuklatex und einem Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukt, in der das Phenol fast immer Resorcin ist. Dies ist das sogenannte "RFL"(Resorcin-Formaldehyd-Latex) Verfahren. Ein alternatives Verfahren zur Förderung derartiger Haftung ist die Erzeugung des Harzes in situ (in der vulkanisierten Kautschuk/Gewebe-Matrix) durch Compoundieren einer vulkanisierenden Kautschukmassen- Zusammensetzung mit dem Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukt (im folgenden als "in-situ-Verfahren" bezeichnet). Die Komponenten des Kondensationsprodukts bestehen aus einem Methylen-Akzeptor und einem Methylen-Donor. Die häufigsten Methylen-Donatoren schließen N-(substituiertes Oxymethyl)melamin, Hexamethylentetramin oder Hexamethoxymethylmelamin ein. Ein geläuf iger Methylen-Akzeptor ist eine Dihydroxybenzol-Verbindung wie Resorcin. Das in-situ-Verfahren wurde in den Fällen für besonders effektiv befunden, in denen das Verstärkungsmaterial Stahldraht ist, da man beobachtet hat, daß die Vorbehandlung des Drahts mit dem RFL-System weitgehend unwirksam ist.A pneumatic tire is a polymeric composite and is a complex system of interacting components, each with specific properties for maximum effectiveness. A common problem in manufacturing a rubber composite is maintaining good adhesion between the rubber and the reinforcement. A conventional method in promoting adhesion between the rubber and the reinforcement is to pretreat the reinforcing fiber with a mixture of a rubber latex and a phenol-formaldehyde condensation product, in which the phenol is almost always resorcinol. This is the so-called "RFL" (resorcinol-formaldehyde latex) process. An alternative method of promoting such adhesion is to generate the resin in situ (in the vulcanized rubber/fabric matrix) by compounding a vulcanizing rubber bulk composition with the phenol-formaldehyde condensation product (hereinafter referred to as the "in situ method"). The components of the condensation product consist of a methylene acceptor and a methylene donor. The most common methylene donors include N-(substituted oxymethyl)melamine, hexamethylenetetramine, or hexamethoxymethylmelamine. A common methylene acceptor is a dihydroxybenzene compound such as resorcinol. The in situ method has been found to be particularly effective in cases where the reinforcing material is steel wire, since it has been observed that pretreatment of the wire with the RFL system is largely ineffective.
Es ist bekannt, daß Resorcin innerhalb eines kautschukartigen Polymers ein Harz-Netzwerk bildet, indem es mit verschiedenen Methylen-Donatoren reagiert. Leider weist die Verwendung von Resorcin einige inhärente Nachteile auf. Resorcin wird in Kautschuk nicht ohne weiteres dispergiert, und tatsächlich werden weder das Harz noch das Resorcin chemisch an den Kautschuk gebunden. Außerdem ist Resorcin in seiner Rohform äußerst flüchtig und ist potentiell toxisch und stellt somit eine Gefahr für die Gesundheit dar. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Resorcin sind periodische Lieferknappheiten auf dem Markt.Resorcinol is known to form a resin network within a rubbery polymer by reacting with various methylene donors. Unfortunately, the use of resorcinol has some inherent disadvantages. Resorcinol is not readily dispersed in rubber, and in fact neither the resin nor the resorcinol are chemically bonded to the rubber. In addition, resorcinol in its raw form is extremely volatile and is potentially toxic, thus posing a health hazard. Another disadvantage of using resorcinol is periodic supply shortages on the market.
Es hat zahlreiche Versuche gegeben, Resorcin zu ersetzen, jedoch hatten wenige, wenn überhaupt welche, viel Erfolg. Zum Beispiel ist in US-Patent 4 605 695 ein Verfahren zur Verbesserung der Haftung von Kautschuk an Verstärkungsmaterialien durch die Verwendung phenolischer Ester als Methylen-Akzeptor offenbart. Diese phenolischen Ester sind weniger flüchtig als Resorcin, bieten aber immer noch keine bereitwillig reaktive Stelle für das chemische Anlagern des Harzes an den Kautschuk.There have been numerous attempts to replace resorcinol, but few, if any, have had much success. For example, U.S. Patent 4,605,695 discloses a method for improving the adhesion of rubber to reinforcing materials by using phenolic esters as a methylene acceptor. These phenolic esters are less volatile than resorcinol, but still do not provide a readily reactive site for chemical attachment of the resin to the rubber.
Daher besteht ein Bedarf, einen geeigneten Haftvermittler zu finden.Therefore, there is a need to find a suitable adhesion promoter.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwefel-vulkanisierten Kautschukcompound, der einen Schwefel-vulkanisierten Kautschuk und 0,1 bis 10,0 TpH eines oligomeren Maleimids der Formel: The present invention relates to a sulfur-vulcanized rubber compound comprising a sulfur-vulcanized rubber and 0.1 to 10.0 phr of an oligomeric maleimide of the formula:
oder einer Maleamidsäure der Formel: or a maleamic acid of the formula:
umfaßt, worin R und R¹ einzeln ausgewählt sind aus der Gruppe von Resten, die aus Wasserstoff, einem Alkyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder einem Halogen besteht; R² ausgewählt ist aus der Gruppe von Resten, die aus 1 bis 12 Kohlenstoffatomen bestehen; X einen Wert von 1 bis 146 hat und n einen Wert von 0 bis 4 hat.wherein R and R¹ are individually selected from the group of radicals consisting of hydrogen, an alkyl having 1 to 4 carbon atoms or a halogen; R² is selected from the group of radicals consisting of 1 to 12 carbon atoms; X has a value of 1 to 146 and n has a value of 0 to 4.
Das Maleimid-Oligomer oder die Maleamidsäure können in verschiedenen Konzentrationen in den Kautschukcompounds der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann die Konzentration von etwa 0,1 bis 10,0 Gewichtsteilen pro 100 Teile Kautschuk (auch als "TpH" bekannt) reichen. Vorzugsweise reicht die Konzentration von etwa 0,5 bis etwa 5,0 TpH.The maleimide oligomer or maleamic acid can be used in various concentrations in the rubber compounds of the present invention. For example, the concentration can range from about 0.1 to 10.0 parts by weight per 100 parts of rubber (also known as "phr"). Preferably, the concentration ranges from about 0.5 to about 5.0 phr.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform ist R Wasserstoff, ist R¹ Wasserstoff, ist R² ein Alkyl mit 1 Kohlenstoffatom und hat n einen Wert von 0.In accordance with the preferred embodiment, R is hydrogen, R¹ is hydrogen, R² is an alkyl having 1 carbon atom and n has a value of 0.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Maleamidsäuren können durch Kondensieren bestimmter Diamine mit Maleinsäureanhydrid oder substituiertem Maleinsäureanhydrid hergestellt werden. Repräsentative Diamine, die verwendet werden können, schließen α,α'-Bis-(4-aminophenyl)-meta-diisopropylbenzol und α,α-Bis-(4- aminophenyl)-para-diisopropylbenzol ein.The maleamic acids used in the present invention can be prepared by condensing certain diamines with maleic anhydride or substituted maleic anhydride. Representative diamines that can be used include α,α'-bis-(4-aminophenyl)-meta-diisopropylbenzene and α,α-bis-(4-aminophenyl)-para-diisopropylbenzene.
Maleinsäureanhydrid oder substituiertes Maleinsäureanhydrid wird mit der obigen Diaminverbindung unter geeigneten Bedingungen umgesetzt, um die Maleamidsäure zu bilden. Das Anhydrid kann mit irgendeiner der obigen Diaminverbindungen in einer Vielfalt von Molverhältnissen umgesetzt werden. Im allgemeinen reicht das Molverhältnis des Anhydrids zur Diaminverbindung von etwa 2,5:1 bis etwa 0,75:1, wobei ein Bereich von etwa 2,1:1 bis etwa 1,9:1 bevorzugt ist.Maleic anhydride or substituted maleic anhydride is reacted with the above diamine compound under suitable conditions to form the maleamic acid. The anhydride can be reacted with any of the above diamine compounds in a variety of molar ratios. Generally, the molar ratio of the anhydride to the diamine compound ranges from about 2.5:1 to about 0.75:1, with a range of about 2.1:1 to about 1.9:1 being preferred.
Ein organisches Lösungsmittel kann verwendet werden, um das Anhydrid oder die Diaminverbindung zu lösen. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise gegenüber der Reaktion zwischen dem Anhydrid und der Diaminverbindung inert. Veranschaulichende Beispiele für Lösungsmittel, die für die Verwendung in der praktischen Durchführung dieser Erfindung geeignet sind, schließen ein: gesättigte und aromatische Kohlenwasserstoffe, z.B. Hexan, Octan, Dodecan, Naphtha, Decalin, Tetrahydronaphthalin, Kerosin, Mineralöl, Cyclohexan, Gydoheptan, Alkylcycloalkan, Benzol, Toluol, Xylol, Alkylnaphthalin und dergleichen; Aceton; Ether, wie Tetrahydrofuran, Tetrahydropyran, Diethylether, 1,2- Dimethoxybenzol, 1,2-Diethoxybenzol, die Mono- und Dialkylether von Ethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, Oxyethylenoxypropylenglykol und dergleichen; fluorierte Kohlenwasserstoffe, die unter den Reaktionsbedingungen inert sind, wie Perfluorethan, Monofluorbenzol und dergleichen. Eine weitere Klasse von Lösungsmitteln sind Sulfone, wie Dimethylsulfon, Diethylsulfon, Diphenolsulfon, Sulfolan und dergleichen. Mischungen der obengenannten Lösungsmittel können eingesetzt werden, solange sie unter den Bedingungen der Reaktion miteinander kompatibel sind und die Diamin- oder Anhydridverbindung ausreichend lösen und die Reaktion nicht stören.An organic solvent can be used to dissolve the anhydride or diamine compound. The solvent is preferably inert to the reaction between the anhydride and the diamine compound. Illustrative examples of solvents suitable for use in the practice of this invention include: saturated and aromatic hydrocarbons, e.g., hexane, octane, dodecane, naphtha, decalin, tetrahydronaphthalene, kerosene, mineral oil, cyclohexane, gydoheptane, alkylcycloalkane, benzene, toluene, xylene, alkylnaphthalene, and the like; acetone; Ethers such as tetrahydrofuran, tetrahydropyran, diethyl ether, 1,2- dimethoxybenzene, 1,2-diethoxybenzene, the mono- and dialkyl ethers of ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, oxyethyleneoxypropylene glycol and the like; fluorinated hydrocarbons which are inert under the reaction conditions such as perfluoroethane, monofluorobenzene and the like. Another class of solvents are sulfones such as dimethyl sulfone, diethyl sulfone, diphenol sulfone, sulfolane and the like. Mixtures of the above solvents can be used as long as they are compatible with each other under the reaction conditions and sufficiently dissolve the diamine or anhydride compound and do not interfere with the reaction.
Die Reaktion zwischen dem Anhydrid und der Diaminverbindung zur Bildung der Maleamidsäure kann über einen weiten Temperaturbereich erfolgen. Die Temperatur kann von mäßiger bis zu einer erhöhten Temperatur reichen. Im allgemeinen kann die Reaktion bei einer Temperatur zwischen etwa 20ºC und 100ºC durchgeführt werden. Der bevorzugte Temperaturbereich ist etwa 30ºC bis 80ºC, während der bevorzugteste Temperaturbereich etwa 55 bis 65ºC ist.The reaction between the anhydride and the diamine compound to form the maleamic acid can occur over a wide range of temperatures. The temperature can range from moderate to elevated. Generally, the reaction can be carried out at a temperature between about 20°C and 100°C. The preferred temperature range is about 30°C to 80°C, while the most preferred temperature range is about 55°C to 65°C.
Die Reaktion zur Bildung der Maleamidsäure kann unter einer Vielfalt von Drücken durchgeführt werden. Drücke, die von etwa 0 psig bis 100 psig reichen, können eingesetzt werden.The reaction to form maleamic acid can be carried out under a variety of pressures. Pressures ranging from about 0 psig to 100 psig can be used.
Das in der vorliegenden Erfindung verwendete oligomere Maleimid wird auch durch Kondensieren der obigen Diamine mit Maleinsäureanhydrid oder substituiertem Maleinsäureanhydrid hergestellt.The oligomeric maleimide used in the present invention is also prepared by condensing the above diamines with maleic anhydride or substituted maleic anhydride.
Wie in der Herstellung der Maleamidsäuren können das Molverhältnis des Anhydrids zu Diamin, die organischen Lösungsmittel und die Reaktionsdrücke dieselben sein wie oben beschrieben.As in the preparation of maleamic acids, the molar ratio of anhydride to diamine, the organic solvents and the reaction pressures can be the same as described above.
Die Reaktion zwischen dem Anhydrid und der Diaminverbindung zur Bildung des oligomeren Maleimids wird in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt. Beispiele für Katalysatoren, die verwendet werden können, schließen saure Katalysatoren wie Schwefelsäure, Salzsäure und Toluolsulfonsäure ein. Die Katalysatormenge, die verwendet werden kann, wird je nach dem speziellen Katalysator, der ausgewählt wird, variieren. Wenn ein saurer Katalysator verwendet wird, werden zum Beispiel etwa 5 Gew.- % bis etwa 10 Gew.-% des Diamins empfohlen.The reaction between the anhydride and the diamine compound to form the oligomeric maleimide is carried out in the presence of a catalyst. Examples of catalysts that may be used include acidic catalysts such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and toluenesulfonic acid. The amount of catalyst that may be used will vary depending on the particular catalyst selected. For example, when an acidic catalyst is used, about 5% to about 10% by weight of the diamine is recommended.
Die Reaktion zur Herstellung des oligomeren Maleimids wird normalerweise bei höheren Temperaturen als in der Herstellung der Maleamidsäure verwendet durchgeführt. Im allgemeinen kann die Reaktion bei einer Temperatur zwischen etwa 100 und etwa 200ºC durchgeführt werden. Der bevorzugte Temperaturbereich ist etwa 120 bis 180ºC, während der bevorzugteste Temperaturbereich etwa 140 bis etwa 160ºC ist.The reaction to produce the oligomeric maleimide is normally carried out at higher temperatures than used in the production of the maleamic acid. Generally, the reaction can be carried out at a temperature between about 100 and about 200°C. The preferred temperature range is about 120 to 180°C, while the most preferred temperature range is about 140 to about 160°C.
Die Reaktion zur Bildung des oligomeren Maleimids oder der Maleamidsäure wird für einen Zeitraum durchgeführt, der ausreicht, um das gewünschte Produkt zu erzeugen. Im allgemeinen kann die Reaktionszeit von Minuten bis zu mehreren Stunden variieren. Wenn die trägeren Reaktionsbedingungen gewählt werden, dann wird die Reaktionszeit verlängert werden müssen, bis das gewünschte Produkt hergestellt ist. Es ist klar, daß die Verweilzeit der Reaktanten durch die Reaktionstemperatur, die Konzentration und Wahl des Katalysators, den Gesamt-Gasdruck, den von seinen Komponenten ausgeübten Partialdruck, die Konzentration und Wahl des Lösungsmittels und andere Faktoren beeinflußt werden wird. Wenn man das oligomere Maleimid herstellt, wird die Reaktion wünschenswerterweise durchgeführt, bis ein molares Äquivalent von Wasser entzogen worden ist.The reaction to form the oligomeric maleimide or maleamic acid is carried out for a period of time sufficient to produce the desired product. In general, the reaction time can vary from minutes to several hours. If the more sluggish reaction conditions are chosen, then the reaction time will have to be extended until the desired product is produced. It is clear that the residence time of the reactants will be influenced by the reaction temperature, the concentration and choice of the catalyst, the total gas pressure, the partial pressure exerted by its components, the concentration and choice of the solvent and other factors. When To produce the oligomeric maleimide, the reaction is desirably carried out until one molar equivalent of water has been removed.
Das Verfahren zur Herstellung des oligomeren Maleimids oder der Maleamidsäure kann auf eine diskontinuierliche, halbkontinuierliche oder kontinuierliche Weise durchgeführt werden. Die Reaktion kann in einer einzigen Reaktionszone oder in einer Vielzahl von Reaktionszonen, in Serie oder parallel, durchgeführt werden. Die Reaktion kann mit Unterbrechungen oder kontinuierlich in einer länglichen röhrenförmigen Zone oder in einer Reihe derartiger Zonen erfolgen. Das Konstruktionsmaterial der Ausrüstung sollte so sein, daß es während der Reaktion inert ist. Die Ausrüstung sollte auch in der Lage sein, den Reaktionstemperaturen und -drücken standzuhalten. Die Reaktionszone kann mit inneren und/oder äußeren Wärmetauschern ausgerüstet sein, um Temperaturschwankungen zu regulieren. Vorzugsweise ist ein Bewegungsmittel verfügbar, um eine einheitliche Reaktion sicherzustellen. Durch Vibration, Rüttler, Rührer, Rotieren, Oszillieren usw. angeregtes Mischen sind alles veranschaulichende Beispiele für die Arten von Bewegungsmitteln, die für die Verwendung in der Herstellung der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden. Derartige Bewegungsmittel sind erhältlich und dem Fachmann gut bekannt.The process for producing the oligomeric maleimide or maleamic acid can be carried out in a batch, semi-batch or continuous manner. The reaction can be carried out in a single reaction zone or in a plurality of reaction zones, in series or in parallel. The reaction can be carried out intermittently or continuously in an elongated tubular zone or in a series of such zones. The material of construction of the equipment should be such that it is inert during the reaction. The equipment should also be able to withstand the reaction temperatures and pressures. The reaction zone can be equipped with internal and/or external heat exchangers to regulate temperature fluctuations. Preferably, a means of agitation is available to ensure a uniform reaction. Mixing induced by vibration, shaker, stirrer, rotation, oscillation, etc. are all illustrative examples of the types of agitation means contemplated for use in preparing the composition of the present invention. Such agitation means are available and well known to those skilled in the art.
Die Verwendung des oligomeren Maleimids oder der Maleamidsäure verbessert die Eigenschaften "Schwefel-vulkanisierter Elastomere oder Kautschuke". Der Begriff "Schwefel-vulkanisiertes Elastomer oder Schwefel-vulkanisierter Kautschuk" wie hierin verwendet, umfaßt sowohl vulkanisierte Formen von Naturkautschuk und allen seinen verschiedenen Roh- und Regeneratformen als auch von verschiedenen synthetischen Kautschuken. Repräsentative synthetische Polymere schließen die Homopolymerisationsprodukte von Butadien und seinen Homologen und Derivaten, wie zum Beispiel Methylbutadien, Dimethylbutadien und Pentadien, sowie Copolymere wie diejenigen, die von Butadien oder seinen Homologen oder Derivaten mit anderen ungesättigten organischen Verbindungen gebildet werden, ein. Unter den letzteren befinden sich Acetylene, z.B. Vinylacetylen; Olefine, beispielsweise Isobutylen, das mit Isopren copolymerisiert, um Butylkautschuk zu bilden; Vinylverbindungen, zum Beispiel Acrylsäure, Acrylnitril (das mit Butadien polymerisiert, um NBR zu bilden), Methacrylsäure und Styrol, wobei letzteres mit Butadien polymerisiert, um SBR zu bilden, sowie Vinylester und verschiedene ungesättigte Aldehyde, Ketone und Ether, z.B. Acrolein, Methylisopropenylketon und Vinylethylether. Ebenfalls eingeschlossen sind die verschiedenen synthetischen Kautschuke, die durch die Homopolymerisation von Isopren und die Copolymerisation von Isopren und anderen Diolefinen in verschiedenen ungesättigten organischen Compounds hergestellt werden. Auch die synthetischen Kautschuke wie 1,4-cis-Polybutadien und 1,4-cis-Polyisopren und ähnliche synthetische Kautschuke sind eingeschlossen.The use of the oligomeric maleimide or maleamic acid improves the properties of "sulfur-vulcanized elastomers or rubbers." The term "sulfur-vulcanized elastomer or sulfur-vulcanized rubber" as used herein includes both vulcanized forms of natural rubber and all of its various raw and reclaimed forms, and various synthetic rubbers. Representative synthetic polymers include the homopolymerization products of butadiene and its homologues and derivatives, such as methylbutadiene, dimethylbutadiene and pentadiene, as well as copolymers such as those formed from butadiene or its homologues or derivatives with other unsaturated organic compounds. Among the latter are acetylenes, e.g. vinyl acetylene; olefins, e.g. isobutylene which copolymerises with isoprene to form butyl rubber; vinyl compounds, e.g. acrylic acid, acrylonitrile (which polymerises with butadiene to form NBR), methacrylic acid and styrene, the latter polymerising with butadiene to form SBR; and vinyl esters and various unsaturated aldehydes, ketones and ethers, e.g. acrolein, methyl isopropenyl ketone and vinyl ethyl ether. Also included are the various synthetic rubbers prepared by the homopolymerisation of isoprene and the copolymerisation of isoprene and other diolefins in various unsaturated organic compounds. Also included are the synthetic rubbers such as 1,4-cis-polybutadiene and 1,4-cis-polyisoprene and similar synthetic rubbers.
Spezielle Beispiele für synthetische Kautschuke schließen Neopren (Polychloropren), Polybutadien (einschließlich trans- und cis- 1,4-Polybutadien), Polyisopren (einschließlich cis-1,4- Polyisopren), Butylkautschuk, Copolymere von 1,3-Butadien oder Isopren mit Monomeren wie Styrol, Acrylnitril und Methylmethacrylat sowie Ethylen/Propylen-Terpolymere, auch als Ethylen/Propylen/Dien- Monomer (EPDM) bekannt, und insbesondere Ethylen/Propylen/Dicyclopentadien-Terpolymere ein. Die bevorzugten synthetischen Kautschuke zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind Polybutadien, Polyisobutylen, Butadien-Styrol-Copolymere und cis-1,4-Polyisopren.Specific examples of synthetic rubbers include neoprene (polychloroprene), polybutadiene (including trans- and cis-1,4-polybutadiene), polyisoprene (including cis-1,4-polyisoprene), butyl rubber, copolymers of 1,3-butadiene or isoprene with monomers such as styrene, acrylonitrile and methyl methacrylate, and ethylene/propylene terpolymers, also known as ethylene/propylene/diene monomer (EPDM), and especially ethylene/propylene/dicyclopentadiene terpolymers. The preferred synthetic rubbers for use in the present invention are polybutadiene, polyisobutylene, butadiene-styrene copolymers and cis-1,4-polyisoprene.
Die vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können einen Methylen-Donor enthalten. Der Begriff "Methylen-Donor" soll eine Verbindung bezeichnen, die in der Lage ist, mit dem oligomeren Maleimid oder der Maleamidsäure zu reagieren und das Harz in situ zu erzeugen. Beispiele für Methylen- Donatoren, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen Hexamethylentetramin, Hexaethoxymethylmelamin, Hexamethoxymethylmelamin, Lauryloxymethylpyridiniumchlorid, Ethoxymethylpyridiniumchlorid, Trioxanhexamethoxymethylmelamin, dessen Hydroxylgruppen verestert oder teilweise verestert sein können, und Polymere von Formaldehyd wie Paraformaldehyd ein. Außerdem können die Methylen-Donatoren N- substituierte Oxymethylmelamine der allgemeinen Formel: The vulcanizable rubber compositions of the present invention may contain a methylene donor. The term "methylene donor" is intended to mean a compound capable of reacting with the oligomeric maleimide or maleamic acid and generating the resin in situ. Examples of methylene donors suitable for use in the present invention include hexamethylenetetramine, hexaethoxymethylmelamine, hexamethoxymethylmelamine, lauryloxymethylpyridinium chloride, ethoxymethylpyridinium chloride, trioxanehexamethoxymethylmelamine, the hydroxyl groups of which may be esterified or partially esterified, and polymers of formaldehyde such as paraformaldehyde. In addition, the methylene donors may be N- substituted oxymethylmelamines of the general formula:
sein, worin X ein Alkyl mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist; R, R¹, R², R³ und R&sup4; einzeln ausgewählt sind aus Wasserstoff, Alkyl mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, der Gruppe -CH&sub2;OX oder deren Kondensationsprodukten. Spezielle Methylen-Donatoren schließen Hexakis(methoxymethyl)melamin, N,N',N"-Trimethyl-N,N',N"- trimethylolmelamin, Hexamethylolmelamin, N-Methylolmelamin, N,N'- Dimethylolmelamin, N,N',N"-Tris(methoxymethyl)melamin und N,N',N"- Tributyl-N,N',N"-trimethylolmelamin ein. Die N-Methylol-Derivate von Melamin werden mittels bekannter Verfahren hergestellt.wherein X is alkyl of 1 to 8 carbon atoms; R, R¹, R², R³ and R⁴ are individually selected from hydrogen, alkyl of 1 to 8 carbon atoms, the group -CH₂OX or their condensation products. Specific methylene donors include hexakis(methoxymethyl)melamine, N,N',N"-trimethyl-N,N',N"-trimethylolmelamine, hexamethylolmelamine, N-methylolmelamine, N,N'-dimethylolmelamine, N,N',N"-tris(methoxymethyl)melamine and N,N',N"-tributyl-N,N',N"-trimethylolmelamine. The N-methylol derivatives of melamine are prepared by known methods.
Das Gewichtsverhältnis von Methylen-Donor zu dem oligomeren Maleimid oder der Maleamidsäure kann variieren. Allgemein gesagt wird das Gewichtsverhältnis von etwa 1:10 bis etwa 10:1 reichen. Vorzugsweise reicht das Gewichtsverhältnis von etwa 1:3 bis 3:1.The weight ratio of methylene donor to the oligomeric maleimide or maleamic acid can vary. Generally speaking, the weight ratio will range from about 1:10 to about 10:1. Preferably, the weight ratio will range from about 1:3 to 3:1.
Die Vulkanisation des Kautschukcompounds der vorliegenden Erfindung wird im allgemeinen bei herkömmlichen Temperaturen, die von etwa 100ºC bis 200ºC reichen, durchgeführt. Vorzugsweise wird die Vulkanisation bei Temperaturen, die von etwa 110ºC bis 180ºC reichen, durchgeführt. Jedes der üblichen Vulkanisationsverfahren, wie Erwärmen in einer Presse oder Vulkanisierform, Erwärmen mit überhitztem Wasserdampf oder Heißluft oder in einem Salzbad, kann eingesetzt werden.Vulcanization of the rubber compound of the present invention is generally carried out at conventional temperatures ranging from about 100°C to 200°C. Preferably, vulcanization is carried out at temperatures ranging from about 110°C to 180°C. Any of the conventional vulcanization methods, such as heating in a press or vulcanizing mold, heating with superheated steam or hot air, or in a salt bath, may be used.
Außer dem oligomeren Maleimid oder der Maleamidsäure können auch andere Kautschukadditive in den Kautschukcompund einverleibt werden. Die für gewöhnlich in Kautschukvulkanisaten verwendeten Additive sind beispielsweise Rußschwarz, Klebrigmacherharze, Verarbeitungshilfsstoffe, Antioxidantien, Ozonschutzmittel, Stearinsäure, Aktivatoren, Wachse, Öle und Peptisiermittel. Wie dem Fachmann bekannt, werden je nach der beabsichtigten Verwendung des Kautschukcompounds bestimmte oben erwähnte Additive für gewöhnlich in herkömmlichen Mengen verwendet. Typische Rußschwarz-Zugaben umfassen etwa 20 bis 100 Gewichtsteile bezogen auf Dienkautschuk (TpH), vorzugsweise 30 bis 80 TpH. Typische Mengen Klebrigmacherharze umfassen etwa 1 bis 5 TpH. Typische Mengen Antioxidantien umfassen 1 bis etwa 10 TpH. Typische Mengen Ozonschutzmittel umfassen 1 bis etwa 10 TpH. Typische Stearinsäure- Mengen umfassen 1 bis etwa 2 TpH. Typische Zinkoxid-Mengen umfassen 2 bis 5 TpH. Typische Mengen Wachse umfassen 1 bis 5 TpH. Typische Mengen Öle umfassen 5 bis 40 TpH. Typische Mengen an Peptisiermitteln umfassen 0,1 bis 1 TpH. Die Gegenwart und die relativen Mengen der obigen Additive sind kein Aspekt der vorliegenden Erfindung.In addition to the oligomeric maleimide or maleamic acid, other rubber additives can also be incorporated into the rubber compound. The additives commonly used in rubber vulcanizates are, for example, carbon black, tackifier resins, Processing aids, antioxidants, antiozonants, stearic acid, activators, waxes, oils and peptizers. As is known to those skilled in the art, depending on the intended use of the rubber compound, certain of the above-mentioned additives are usually used in conventional amounts. Typical carbon black additions comprise about 20 to 100 parts by weight of diene rubber (phr), preferably 30 to 80 phr. Typical amounts of tackifier resins comprise about 1 to 5 phr. Typical amounts of antioxidants comprise 1 to about 10 phr. Typical amounts of antiozonants comprise 1 to about 10 phr. Typical amounts of stearic acid comprise 1 to about 2 phr. Typical amounts of zinc oxide comprise 2 to 5 phr. Typical amounts of waxes comprise 1 to 5 phr. Typical amounts of oils comprise 5 to 40 phr. Typical amounts of peptizers comprise 0.1 to 1 phr. The presence and relative amounts of the above additives are not an aspect of the present invention.
Die Vulkanisation des Kautschukcompounds wird in Gegenwart eines Schwefel-Vulkanisiermittels durchgeführt. Beispiele für geeignete Schwefel-Vulkanisiermittel schließen elementaren Schwefel (freien Schwefel) oder Schwefel-abgebende Vulkanisiermittel, beispielsweise ein Amindisulfid, polymeres Polysulfid oder Schwefel-Olefin- Addukte ein. Vorzugsweise ist das Schwefel-Vulkanisiermittel elementarer Schwefel. Wie dem Fachmann bekannt, werden Schwefel- Vulkanisiermittel in einer Menge verwendet, die von etwa 0,5 bis 8 TpH reicht, wobei ein Bereich von 1,0 bis 2,25 bevorzugt ist.Vulcanization of the rubber compound is carried out in the presence of a sulfur vulcanizing agent. Examples of suitable sulfur vulcanizing agents include elemental sulfur (free sulfur) or sulfur donating vulcanizing agents, for example, an amine disulfide, polymeric polysulfide, or sulfur-olefin adducts. Preferably, the sulfur vulcanizing agent is elemental sulfur. As is known to those skilled in the art, sulfur vulcanizing agents are used in an amount ranging from about 0.5 to 8 phr, with a range of 1.0 to 2.25 being preferred.
Beschleuniger werden herkömmlicherweise eingesetzt, um die für die Vulkanisation erforderliche Zeit und/oder Temperatur zu regeln und die Eigenschaften des Vulkanisats zu verbessern. In einigen Fällen kann ein einziges Beschleunigersystem verwendet werden, d.h. ein Primärbeschleuniger. Herkömmlicherweise wird ein Primärbeschleuniger in Mengen verwendet, die von etwa 0,5 bis 2,0 TpH reichen. In einem anderen Fall können, um die Eigenschaften des Vulkanisats zu aktivieren und zu verbessern, Kombinationen von zwei oder mehr Beschleunigern verwendet werden, die aus einem Primärbeschleuniger, der im allgemeinen in einer großen Menge (0,5 bis 2,0 TpH) verwendet wird, und einem Sekundärbeschleuniger, der im allgemeinen in kleineren Mengen (0,01 bis 0,50 TpH) verwendet wird, bestehen können. Es ist bekannt, daß Kombinationen dieser Beschleuniger einen synergistischen Effekt auf die endgültigen Eigenschaften erzeugen und etwas besser sind als diejenigen, die durch Verwendung eines der Beschleuniger allein hergestellt wurden. Außerdem können Beschleuniger mit verzögerter Wirkung verwendet werden, die durch normale Verarbeitungstemperaturen nicht beeinflußt werden, aber bei gewöhnlichen Vulkanisationstemperaturen zufriedenstellende Vulkanisationen erzeugen. Geeignete Arten von Beschleunigern, die verwendet werden können, schließen Amine, Disulfide, Guanidine, Thioharnstoffe, Thiazole, Thiurame, Sulfenamide, Dithiocarbamate und die Xanthate ein. Vorzugsweise ist der Primärbeschleuniger ein Sulfenamid. Falls ein Sekundärbeschleuniger eingesetzt wird, ist der Sekundärbeschleuniger vorzugsweise eine Guanidin-, Dithiocarbamat- oder Thiuram-Verbindung.Accelerators are conventionally used to control the time and/or temperature required for vulcanization and to improve the properties of the vulcanizate. In some cases, a single accelerator system may be used, i.e. a primary accelerator. Conventionally, a primary accelerator is used in amounts ranging from about 0.5 to 2.0 phr. In another case, to activate and improve the properties of the vulcanizate, combinations of two or more accelerators may be used, consisting of a primary accelerator, generally used in a large amount (0.5 to 2.0 phr), and a secondary accelerator, which generally used in smaller amounts (0.01 to 0.50 phr). Combinations of these accelerators are known to produce a synergistic effect on the final properties and are somewhat better than those produced by using either accelerator alone. In addition, delayed action accelerators may be used which are not affected by normal processing temperatures but produce satisfactory cures at ordinary vulcanization temperatures. Suitable types of accelerators which may be used include amines, disulfides, guanidines, thioureas, thiazoles, thiurams, sulfenamides, dithiocarbamates and the xanthates. Preferably, the primary accelerator is a sulfenamide. If a secondary accelerator is used, the secondary accelerator is preferably a guanidine, dithiocarbamate or thiuram compound.
Die das oligomere Maleimid oder die Maleamidsäure enthaltenden Kautschukcompounds können in der Herstellung von Komposit- Erzeugnissen einschließlich Reifen, Treibriemen, Förderbändern, Druckwalzen, Gummi-Schuhabsätzen und -sohlen, Gummi-Wringern, Auto- Bodenmatten, LKW-Schmutzfängern, Kugelmühlen-Auskleidungen und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise werden die Kautschukvulkanisate in Karkassenlagen- oder Deckschichtcompounds für Reifen verwendet.The rubber compounds containing the oligomeric maleimide or maleamic acid can be used in the manufacture of composite products including tires, transmission belts, conveyor belts, printing rollers, rubber shoe heels and soles, rubber wringers, automobile floor mats, truck mud flaps, ball mill liners and the like. Preferably, the rubber vulcanizates are used in carcass ply or cover layer compounds for tires.
Die folgenden Beispiele werden vorgelegt, um die vorliegende Erfindung zu erläutern, aber nicht zu beschränken.The following examples are presented to illustrate, but not to limit, the present invention.
Ein trockener 1l-Dreihals-Rundkolben wurde mit einem modifizierten Dean-Stark-Abscheider, einem Kaltwasser-Kühler und einem Thermometer ausgestattet. Der Kolben wurde mit 98 g (1,0 Mol) Maleinsäureanhydrid, das in 400 ml m-Xylol gelöst war, 10 g Toluolsulfonsäure und 172 g (0,5 Mol) EPON HPT Vulkanisiermittel 1061-M von Shell Oil Company gefüllt. EPON HPT ist eine Mischung der para,para-, der ortho,para- und der ortho,ortho-Isomere von α,α'-Bis-(4-aminophenyl)diisopropylbenzol. Der Kolben wurde mit Stickstoff gespült und unter einem Stickstoffballon verschlossen. Der Kolben wurde dann am Rückfluß auf ungefähr 145ºC erhitzt und gehalten, bis eine stöchiometrische Menge Wasser (18 ml, 1 Mol) über den Dean-Stark-Abscheider entzogen war. Der Kolben wurde auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, und das resultierende Produkt, oligomeres Maleimid, wurde in einen Behälter gegossen und im Vakuumofen bei 80ºC mehrere Stunden getrocknet, um das überschüssige m-Xylol-Lösungsmittel zu entfernen. Die Reaktion ergab 302 g hell-graubraun-gefärbten Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 151-178ºC. GPC-Analyse zeigt Oligomere mit hohem Molekulargewicht, die von MW 1500 bis 74000 reichen.A dry 1 L three-necked round-bottomed flask was fitted with a modified Dean-Stark separator, a cold water condenser and a thermometer. The flask was charged with 98 g (1.0 mol) of maleic anhydride dissolved in 400 mL of m-xylene, 10 g of toluenesulfonic acid and 172 g (0.5 mol) of EPON HPT vulcanizing agent 1061-M from Shell Oil Company. EPON HPT is a mixture of the para,para, ortho,para and ortho,ortho isomers of α,α'-bis-(4-aminophenyl)diisopropylbenzene. The flask was purged with nitrogen and sealed under a nitrogen balloon. The flask was then heated to reflux at approximately 145°C and held until a stoichiometric amount of water (18 mL, 1 mol) was removed via the Dean-Stark trap. The flask was allowed to cool to room temperature and the resulting product, oligomeric maleimide, was poured into a container and dried in a vacuum oven at 80°C for several hours to remove the excess m-xylene solvent. The reaction yielded 302 g of light gray-brown colored solid with a melting point of 151-178°C. GPC analysis shows high molecular weight oligomers ranging from MW 1500 to 74000.
Ein 31-Dreihals-Rundkolben wurde mit einem Thermoelement, einem elektrischen Rührer und einem Stickstoffballon ausgestattet. Der Kolben wurde mit 98 g (1,0 Mol) Maleinsäureanhydrid, das in 400 ml m-Xylol gelöst war, beschickt. EPON HPT (172 g, 0,5 Mol) wurde langsam mit einem Trichter zugegeben, während die Mischung im Kolben bei 42ºC kräftig gerührt wurde. Weitere 400 ml m-Xylol wurden eingesetzt, um das Amin in den Kolben zu spülen. Die Reaktion zeigte eine Exotherme von 42ºC auf 55ºC. Die Reaktion wurde gerührt und vier Stunden bei einer Temperatur von 50-55ºC gehalten, dann unter Rühren auf eine Temperatur von 10ºC gekühlt, indem man den Kolben in Eiswasser tauchte. Das resultierende Produkt wurde mit einem Saugfilter filtriert und luftgetrocknet, wodurch 272 g gelbbraun-gefärbtes Produkt mit einem Schmelzpunkt von 191 bis 198ºC erzeugt wurden.A 3-liter three-necked round-bottom flask was equipped with a thermocouple, an electric stirrer, and a nitrogen balloon. The flask was charged with 98 g (1.0 mol) of maleic anhydride dissolved in 400 mL of m-xylene. EPON HPT (172 g, 0.5 mol) was added slowly using a funnel while the mixture in the flask was vigorously stirred at 42°C. An additional 400 mL of m-xylene was used to flush the amine into the flask. The reaction showed an exotherm from 42°C to 55°C. The reaction was stirred and maintained at a temperature of 50-55°C for four hours, then cooled to a temperature of 10°C with stirring by immersing the flask in ice water. The resulting product was filtered with a suction filter and air dried to produce 272 g of yellow-brown colored product with a melting point of 191-198ºC.
Tabelle I unten zeigt den Grund-Kautschukcompound, der in diesem Beispiel verwendet wurde. Der Kautschukcompound wurde in einer dreistufigen Banbury-Mischung hergestellt. Sofern nicht anders angegeben, sind alle Teile und Prozente Gewichtsteile und -prozente. Die Vulkanisationsdaten sowie andere physikalische Daten für jede Probe sind in Tabelle II aufgeführt. Tabelle I Table I below shows the base rubber compound used in this example. The rubber compound was prepared in a three-stage Banbury mix. Unless otherwise indicated, all parts and percents are by weight. The cure data and other physical data for each sample are listed in Table II. Table I
Die Vulkanisationseigenschaften wurden unter Verwendung eines Monsanto Schwingrheometers, das bei einer Temperatur von 150ºC und bei einer Frequenz von 11 Hertz betrieben wurde, bestimmt. Eine Beschreibung von Schwingrheometern ist im Vanderbilt Rubber Handbook, herausgegeben von Robert O. Ohm (Norwalk, Connecticut, R.T. Vanderbilt Company, Inc., 1990), Seiten 554-557, zu finden. Die Verwendung dieses Vulkanisationsmeßgerätes und standardisierter, von der Kurve abgelesener Werte sind in ASTM D-2084 spezifiziert. Eine typische Vulkanisationskurve, die auf einem Schwingrheometer erhalten wurde, ist auf Seite 555 der 1990er Auflage des Vanderbilt Rubber Handbook gezeigt.Cure properties were determined using a Monsanto vibrating rheometer operating at a temperature of 150ºC and at a frequency of 11 hertz. A description of vibrating rheometers can be found in the Vanderbilt Rubber Handbook, edited by Robert O. Ohm (Norwalk, Connecticut, R.T. Vanderbilt Company, Inc., 1990), pages 554-557. The use of this cure meter and standardized values read from the curve are specified in ASTM D-2084. A typical cure curve obtained on a vibrating rheometer is shown on page 555 of the 1990 edition of the Vanderbilt Rubber Handbook.
In einem derartigen Schwingrheometer werden compoundierte Kautschukproben einer schwingenden Scherwirkung von konstanter Amplitude ausgesetzt. Gemessen wird das Drehmoment der in der Masse, die getestet wird, eingebetteten Schwingscheibe, welches erforderlich ist, um den Rotor bei der Vulkanisationstemperatur in Schwingung zu versetzen. Die unter Verwendung dieses Vulkanisationstests erhaltenen Werte sind sehr signifikant, da Veränderungen im Kautschuk oder in der Compoundierrezeptur sehr leicht festgestellt werden. Es ist offensichtlich, daß es normalerweise vorteilhaft ist, eine schnelle Vulkanisationsgeschwindigkeit zu haben.In such an oscillating rheometer, compounded rubber samples are subjected to an oscillating shearing action of constant amplitude. The torque of the oscillating disk embedded in the mass being tested, which is required to cause the rotor to oscillate at the vulcanization temperature, is measured. The values obtained using this vulcanization test are very significant since changes in the rubber or compounding recipe are very easily detected. It is obvious that it is usually advantageous to have a fast vulcanization rate.
Die folgende Tabelle II gibt Vulkanisationseigenschaften wieder, die aus Vulkanisationskurven bestimmt wurden, die für die zwei Kautschukformulierungen, die hergestellt wurden, erhalten wurden. Diese Eigenschaften schließen ein Drehmoment-Minimum (Min. Drehmoment), ein Drehmoment-Maximum (Max. Drehmoment), Minuten bis zu 25% der Drehmomenterhöhung (t25 min.) und Minuten bis zu 90% der Drehmomenterhöhung (t90 min.) ein.Table II below presents cure properties determined from cure curves obtained for the two rubber formulations prepared. These properties include a torque minimum (Min. Torque), a torque maximum (Max. Torque), minutes up to 25% of torque increase (t25 min.), and minutes up to 90% of torque increase (t90 min.).
Die Abschälhaftungsprüfung wurde durchgeführt, um die Grenzflächenhaftung zwischen den verschiedenen Kautschukformulierungen, die hergestellt wurden, zu bestimmen. Die Grenzflächenhaftung wurde bestimmt, indem man einen Compound von einem anderen in einem rechten Winkel zum nicht gezogenen Prüfkörper wegzog, wobei die beiden Enden in einem 180º-Winkel zueinander unter Verwendung einer Instron-Maschine auseinandergezogen wurden. Die Berührungsfläche wurde während der Vulkanisation aus der Plazierung einer Mylar-Fohe zwischen den Compounds bestimmt. Ein Fenster im Mylar gestattete es den beiden Materialien, während der Prüfung miteinander in Berührung zu kommen.The peel adhesion test was conducted to determine the interfacial adhesion between the different rubber formulations that were prepared. The interfacial adhesion was determined by pulling one compound away from another at a right angle to the undrawn specimen, with the two ends at a 180º angle from each other using an Instron machine. The contact area was determined from the placement of a Mylar film between the compounds during vulcanization. A window in the Mylar allowed the two materials to come into contact during the test.
Die Haftung an Nylon und Flexten wurde unter Verwendung des Reifencord-Haftungstests (Tire Cord Adhesion Test, TCAT) bewertet. Die Compound-Haftung an Reifendraht wurde ebenfalls unter Verwendung des TCAT-Tests beurteilt. Proben wurde hergestellt und gemäß den von D. W. Nicholson, D. I. Livingston und G. S. Fielding- Russel, Tire Science and Technology (1978) 6, 114; G. S. Fielding- Russel und D. I. Livingston, Rubber Chemistry and Technology (1980) 53, 950; und R. L. Rongone, D. W. Nicholson und R. E. Payne, US- Patent Nr. 4 095 465 (20. Juni 1978) beschriebenen Verfahren untersucht.Adhesion to nylon and flexten was evaluated using the Tire Cord Adhesion Test (TCAT). Compound adhesion to tire wire was also evaluated using the TCAT test. Samples were prepared and tested according to the procedures described by D. W. Nicholson, D. I. Livingston and G. S. Fielding- Russel, Tire Science and Technology (1978) 6, 114; G. S. Fielding-Russel and D. I. Livingston, Rubber Chemistry and Technology (1980) 53, 950; and R. L. Rongone, D. W. Nicholson and R. E. Payne, U.S. Patent No. 4,095,465 (June 20, 1978).
Die Shore-Härte wurde gemäß ASTM-1415 bestimmt. Tabelle II Shore hardness was determined according to ASTM-1415. Table II
Wie in Tabelle II zu sehen ist, wiesen Proben 2 und 3 gegenüber der Kontrolle verbesserte Haftungswerte auf. In bezug auf Probe 2 waren die Werte für Spannung-Dehnung, Rheovibron und Shore A-Härte gegenüber der Kontrolle verbessert.As shown in Table II, Samples 2 and 3 showed improved adhesion values over the control. With respect to Sample 2, the stress-strain, Rheovibron and Shore A hardness values were improved over the control.
Tabelle III unten zeigt den Grund-Kautschukcompound, der in diesem Beispiel verwendet wurde. Der Kautschukcompound wurde in einer zweistufigen Banbury-Mischung hergestellt. Sofern nicht anders angegeben, sind alle Teile und Prozente Gewichtsteile und -prozente. Die Vulkanisationsdaten sowie andere physikalische Daten für jede Probe sind in Tabelle IV aufgeführt. Tabelle III Tabelle IV Table III below shows the base rubber compound used in this example. The rubber compound was prepared in a two-stage Banbury mix. Unless otherwise noted, all parts and percents are by weight. Cure data and other physical data for each sample are shown in Table IV. Table III Table IV
Die Verwendung der Maleamidsäure in Probe 2 verbesserte die Werte für Haftung, Rheovibron und Shore A-Härte.The use of maleamic acid in sample 2 improved the values for adhesion, Rheovibron and Shore A hardness.
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